Lensin Biyokimya ve Fizyolojisi

Lensin yaklaşık %66’sı su, %33’ü protein, %1’i karbonhidrat, lipid, aminoasit ve elektrolitlerden oluşmaktadır. Lens diğer dokulardan daha fazla protein içerir. Bu yüksek bir refraktif indeks oluşumu için gereklidir [20].

Lensin majör proteini, suda eriyen kristalin proteinidir ve lensteki proteinlerin

%90’ından fazlasını oluştur. Lensin kırıcılık gücü ile refraktif indeksinin oluşmasında oldukça önemlidir. Aynı zamanda lensin saydamlığına da katkı sağlar.

Lenste 3 farklı kristalin proteini mevcuttur. Bunlar α-, β- ve γ- kristalin proteinleridir.

Bu ayrım protein monomerlerinin moleküler ağırlıklarına göre yapılmıştır. α- kristalin, lensteki proteinlerin kütlesel olarak yaklaşık 1/3’ünü oluşturur. β- ve γ- kristalin proteinin aksine göz dışında da bulunur. α-A ve α-B olarak iki ayrı α- kristalin alt ünitesi mevcuttur. α-kristalin proteininin öncelikli fonksiyonu yüksek refraktif indeks oluşturmasıdır. Aynı zamanda bu protein ısı şok proteini benzeri bir özelliğe de sahiptir. Bu özelliği sayesinde denatüre olmuş proteinlere bağlanarak, ışık saçılmasına yol açabilen protein agregatlarının oluşmasını engeller. Lens saydamlığını, α-kristalin proteinlerinin düzenli dizilimlerine ve denatüre proteinleri kendilerine bağlamalarına borçludur. β-kristalin formun molekül ağırlığı 50000- 200000 dalton aralığında değişir ve 22000- 28000 dalton molekül ağırlığına sahip yedi farklı gen tarafından kodlanan, yedi farklı alt birimden oluşur. Bu form, lens içerisinde diğer proteinler ile kimyasal olarak bağlı şekilde bulunur. γ-kristalin proteinler, moleküler ağırlığı yaklaşık olarak 20000 dalton olan yedi farklı protein alt yapısından oluşurlar. γ - kristalin proteinleri, β-kristalin proteinlerinin aksine diğer proteinler ile kompleks yapı oluşturmazlar ve monomer halde lens içerisinde bulunurlar [24].

Lens proteinlerinin suda çözünmeyen kısmı, ürede çözünen ve çözünmeyen olmak üzere iki fraksiyona bölünebilir. Lensin ürede çözünen fraksiyonu, lens hücrelerinin yapısal çerçevesini sağlayan hücre iskelet proteinlerini içerir. Lens hücrelerinde bulunan mikrofilamentler ve mikrotübüller, diğer hücre tiplerinde bulunanlara benzerdir. Bununla birlikte lens, alışılmadık iki tür ara filament içerir.

İlki genellikle epitel hücrelerinde bulunmayan vimentin proteinidir. Diğer sınıf ise

boncuklu filamentler olarak adlandırılan, lense özgü olan, phakinin ve filensin proteinlerinden oluşur. Boncuklu filamentlerin yapısının genetik olarak bozulması, lens liflerinin yapısının bozulmasına ve katarakt oluşumuna yol açar. Lensin ürede çözünmeyen fraksiyonu, hücre membran proteinlerini içerir. Aquaporin 0 olarak da bilinen majör intrinsik protein, membran proteinlerinin neredeyse %50'sini oluşturur.

Majör intrinsik protein ilk olarak, lifler uzamaya başladığında lenste görünür [25].

Gelişimini tamamlamış avasküler lenste, hücreler arası iletişim ve metabolik aktivitede görev yapan konneksin proteinleri bulunmaktadır [26]. Bu bağlantılar hücreler arası Na+, K+, Ca²⁺ ve Cl- gibi iyonların geçişini sağlar. Aynı zamanda ikincil haberciler olan cAMP, cGMP ve IP3 ile glikoz ve aminoasit gibi küçük moleküllerin hücreler arasındaki geçişini sağlar. Konneksin proteini 1 ve konneksin proteini 8, epitelyal hücreler tarafından sentezlenir [27].

2.4.2. Karbonhidrat ve Enerji Metabolizması

Lens metabolizmasının amacı, şeffaflığın korunmasıdır. Lenste enerji üretimi büyük ölçüde glikoz metabolizmasına bağlıdır. Glikoz, hümör aközden lense basit difüzyon ve kolaylaştırılmış difüzyon ile alınmaktadır. Lense taşınan glikozun çoğu, heksokinaz enzimi tarafından glikoz-6-fosfata fosforile edilir. Bu reaksiyon, lens glikolizinde rol oynayan diğer enzimlerden daha yavaş olduğu için hız sınırlayıcı basamaktır. Glikoz-6-fosfat iki metabolik yoldan birine girer. Bu iki yolun daha aktif olanı, lens metabolizması için gereken yüksek enerjili fosfat bağlarının çoğunu sağlayan anaerobik glikolizdir.

Adenozin difosfatın (ADP) adenozin trifosfata (ATP) substrata bağlı fosforilasyonu, glikoz metabolizmasından laktata giden yol boyunca 2 adımda gerçekleşir. Hız sınırlayıcı basamak, glikolitik yolun metabolik ürünleri tarafından feed-back kontrolüyle düzenlenen fosfofruktokinaz enzimi seviyesindedir. Bu yol ile yalnızca 2 molekül net ATP elde edilir. Aerobik glikoliz, sitrik asit döngüsünde metabolize olan her bir glikoz molekülünden ilave 36 ATP molekülü üretir. Lensteki düşük oksijen konsantrasyonu nedeniyle, lens glikozunun yalnızca yaklaşık %3'ü, ATP üretmek için sitrik asit döngüsünden (trikarboksilik asit döngüsü veya Krebs döngüsü olarak da adlandırılır) geçer. Bu düşük aerobik metabolizma seviyesi bile, lens ATP'sinin yaklaşık %25'ini karşılar. Lenste glikoz-6-fosfat kullanımı için daha

az aktif yol hekzoz monofosfat (HMP) yoludur ve glikozun yaklaşık %5'i bu yolla metabolize edilir. HMP yolu yüksek glikoz seviyelerinin varlığında uyarılır.

Glikoz-6-fosfata fosforile edilmeyen glikoz, başka bir yol olan sorbitol yoluna girer veya glukonik aside dönüştürülür. Aldoz redüktaz, bu yoldaki anahtar enzimdir ve "şeker" kataraktlarının gelişiminde çok önemli bir rol oynar.

Hekzokinaza kıyasla aldoz redüktaz, glikoz için çok düşük bir afiniteye sahiptir.

Lens glikozunun %4'ünden fazlası normalde sorbitole dönüştürülür. Hiperglisemik durumlarda lensteki glikoz miktarı artar ve sorbitol yolu, glikolitik yoldan nispeten daha fazla aktive olur. Sorbitol, polyol dehidrogenaz enzimi tarafından fruktoza metabolize edilir. Ancak enzimin afinitesinin düşük olması ve lensin geçirgenliğinin zayıf olması sebebiyle sorbitol birikir. Sorbitol yolunun aktivasyonunun bir sonucu olarak ortaya çıkan NADP birikimi ve yüksek lens glikoz seviyesinin varlığında gözlenen HMP şantı uyarılmasıyla, sorbitole ek olarak fruktoz seviyeleri de artar.

Her ikisi de lens içindeki ozmotik basıncı artırarak suyu çeker. Sonuç olarak lifler şişer, hücre iskelet yapısı bozulur ve lens opaklaşır.

Hayvanlarda kataraktogenezde aldoz redüktazın temel rolü, çeşitli hiperglisemik hayvan türlerinde katarakt gelişimi üzerine yapılan çalışmalardan anlaşılmaktadır. Aldoz redüktaz aktiviteleri yüksek olan türler lens opasiteleri geliştirirken, aldoz redüktaz içermeyen türlerde katarakt oluşmaz. Ek olarak, sistemik veya topikal olarak uygulanan bu enzimin spesifik inhibitörleri, deneysel çalışmalarda glikoz kataraktlarının başlangıç oranını ve şiddetini azaltır [25].

2.4.3. Lipid Metabolizması

Lens liflerinin membranı, fizyolojik işlevleri sürdürmek için, benzersiz biyokimyasal özelliklere sahiptir. İnsanlarda, lens lifi hücre membranının kolesterol seviyesi son derece yüksektir ve lens korteksinde kolesterol-fosfolipid oranı 2 iken nükleusta 4'e kadar yükselir ve yaşla birlikte bu oran giderek artar [28], [29]. Yetişkin lenslerinin membranları, insan vücudundaki en doymuş, düzenli membranlardan biridir ve yüksek kolesterol seviyeleri, saf kolesterol çift katmanların oluşumuna yol açar.

Ayrıca, lipidlerin çoğu proteinlere bağlıdır, dolayısıyla hareketlilikleri sınırlanır.

İnsan lenslerinde en fazla bulunan ve oldukça stabil bir fosfolipid olan

dihidrosfingomiyelindir [30]. Hücre membranı, %50'den fazla sfingomiyelin ve sfingomiyelin türevlerini ve sadece eser miktarda çoklu doymamış yağ asitlerini içerir [31],[32].

2.4.4. Su ve Elektrolit Dengesi

Lens saydamlığının korunmasında hücre içi iyon ve su dengesi son derece önemlidir.

Lens, iyon ve su transport mekanizmaları ile aynı zamanda ışığın retina üzerine düşmesi için gerekli kırma gücünün de korunmasını sağlar [33]. Lens hacminin yaklaşık %5'i, lens lifleri arasındaki hücre dışı boşluklarda bulunan sudur. Lens korteksi, nükleusa göre daha hidratedir. Su ve elektrolit dengesinin bozulmasıyla lens su içeriğinin önemli ölçüde artması, kortikal kataraktlara özgü bir özelliktir.

Lens, kendisini çevreleyen hümör aköz ve vitreustan daha yüksek potasyum iyonu ve amino asit seviyelerine sahiptir. Tersine, lens, çevreleyen ortama göre daha düşük seviyelerde su, sodyum ve klor iyonu içerir. Lensin içi ve dışı arasındaki katyon dengesi, lens hücre zarlarının geçirgenlik özellikleri ve sodyum-potasyum pompalarının faaliyetinin sonucudur. Sodyum-potasyum pompaları, potasyum iyonlarını içeri alırken sodyum iyonlarını dışarı pompalayarak çalışır. Bu mekanizma ATP parçalanmasını kontrol eden Na-K-ATPaz enzimi tarafından düzenlenir. Bu enzimin inhibisyonu, lens içinde katyon dengesi kaybına ve su içeriğinin yükselmesine neden olur.

Aktif taşıma ve membran geçirgenliği birlikte lensin pompa-sızıntı sistemi olarak adlandırılır. Pompa sızıntı teorisine göre, potasyum ve diğer çeşitli moleküller, epitel yoluyla lensin ön bölümüne aktif olarak taşınır. Daha sonra, aktif taşıma mekanizmalarının olmadığı lensin arka bölümüne konsantrasyon farkına bağlı olarak dağılırlar. Sodyum da konsantrasyon farkı nedeniyle lensin arka bölümüne akar ve daha sonra epitel tarafından aktif olarak potasyum ile değiştirilir. Lensin ön bölümünde potasyum, arka bölümünde ise sodyumun fazla olduğu, anteroposterior konsantrasyon farkının bulunması, bu teoriyi desteklemektedir [25]. Lens Na-K- ATPaz enziminin çoğu, anterior epitelyal hücrelerin apikolateral membranlarında bulunur, ancak anterior kortekste ve sütürlere bitişik lif membranlarında da bir miktar aktivite vardır [34].

İnsanlarda hümör aköz içerisindeki Ca⁺² konsantrasyonu 1,34 milimolar olarak tespit edilmiştir. Lens epitelinde hücre içi Ca⁺² konsantrasyonu ise yaklaşık olarak 100 nanomolardır. Lens lifi hücrelerindeki Ca⁺² miktarı ise epitel hücreleri içerisindeki Ca⁺² miktarına göre oldukça fazladır. Lif hücrelerindeki Ca⁺² miktarı yaklaşık olarak 10 mikromolar seviyesindedir [35]. Bu yüksek farklılık hücre zarında bulunan Ca⁺²-ATPaz pompası ile sağlanmaktadır. Hücre içerisindeki Ca⁺² miktarı hücre membranında bulunan bu pompa sayesinde hümör aköze oranla çok daha az miktarda tutulmaya çalışılmaktadır. Ca⁺² iyonu, hücre içi ikincil habercilerin işlevleri açısından da son derece önemlidir. Bununla birlikte artan hücre içi Ca⁺² oranları, lens hücreleri içerisinde glikoliz basamaklarının bozulmasına, protein yıkımına neden olan proteaz enzimi aktivasyonuna, protein yapılarının bozulmasına ve tüm bunların sonucunda lensin saydamlığının kaybolmasına sebep olabilir. Bu hassas denge lensin saydamlığı için son derece önemlidir [36].

2.4.5. Refraksiyon ve Akomodasyon

Lens, korneal sferik aberasyonu düzeltir, akomodasyonu oluşturur ve refraksiyonun yaklaşık 20 D’sini oluşturur. Bir D, lensin refraktif gücünün, metre (1 / metre) cinsinden ölçülen odak uzaklığının birimidir. Refraktif indeksi, lensin temel geometrik özellikleri, ön ve arka yüzey eğrilikleri ve su/protein oranı belirler.

Refraktif indeks, lens periferinde en düşük, santralinde ise en yüksektir. Lensin optik akstaki konumu, lensi siliyer cisme bağlayan zonüler lifler tarafından korunur. En fazla kabul gören akomodasyon teorisi olan Helmholtz teorisine göre, akomodasyon sırasında siliyer kasın kasılması, zonüler liflerin ve siliyer proçeslerin ileri ve içe doğru hareket etmesine neden olur, böylece lensi çevreleyen kapsül yeniden şekillenir. Lens küresel bir şekil alarak refraktif gücünü artırır ve yakındaki nesnelere odaklanmayı sağlar. 20 yaşındaki bir insan lensi, 10-12 D civarında akomodasyon amplitüdüne sahiptir. Presbiyopi, yaşla birlikte akomodasyon amplitüdünün kademeli olarak kaybedilmesinden kaynaklanan yakın görme fonksiyonunun kaybıdır.

Presbiyopi semptomları, emetrop gözlerde yaklaşık 40-50 yaşlarında başlar. Yaşa bağlı bu görme performansının kaybı hem uzak hem de yakın refraktif düzeltmeyi gerektirir. Presbiyopinin nedeni hala tam olarak bilinmemekle birlikte, yaşla birlikte

akomodatif kapasitenin nasıl kaybolduğunu açıklamak için ekstralentiküler, geometrik, lens ve kapsül teorisi gibi teoriler öne sürülmüştür [37].